UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA CAMPUS VIII CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLOGIA E SAÚDE CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DEIVIDY LEM MACÊDO DA ROCHA CALIXTO

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1 UNIVERSIDADE ESTADUAL DA PARAÍBA CAMPUS VIII CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLOGIA E SAÚDE CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DEIVIDY LEM MACÊDO DA ROCHA CALIXTO ANÁLISE DOS FATORES QUE INFLUENCIAM NO DIMENSIONAMENTO À PUNÇÃO EM LAJES LISAS DE CONCRETO ARMADO ARARUNA 2016

2 DEIVIDY LEM MACÊDO DA ROCHA CALIXTO ANÁLISE DOS FATORES QUE INFLUENCIAM NO DIMENSIONAMENTO À PUNÇÃO EM LAJES LISAS DE CONCRETO ARMADO Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Programa de Graduação em Engenharia Civil da Universidade Estadual da Paraíba, como requisito parcial à obtenção do título de bacharel em Engenharia civil. Orientador: Prof. Pedro Filipe de Luna Cunha ARARUNA 2016

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5 Dedico este trabalho aos meus pais, Luiz Calixto da Silva e Maria Rejane Macêdo da Rocha Calixto, meus primeiros mestres. E em especial ao meu filho Davi Oliveira Calixto, por ser a inspiração e luz do meu futuro.

6 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, por me proporcionar a realização desse sonho, e por todas as benções concedidas a mim diariamente. Aos meus pais, Luiz Calixto da Silva e Maria Rejane Macêdo da Rocha Calixto, saibam que nada consegue expressar minha verdadeira gratidão por vocês, muito obrigado por todo amor, dedicação e ensinamentos durante toda minha vida, essa conquista é de vocês. Agradeço aos meus irmãos Jhones Remos Macêdo da Rocha Calixto e Icaro Macêdo da Rocha Calixto, por todo companheirismo e por sempre estarem dispostos a me ajudar. A minha noiva Edja Vanessa de Oliveira Sousa, por todo amor, apoio e paciência que teve comigo durante essa trajetória, obrigado por sempre acreditar em mim e me fazer viver os melhores dias durante minha graduação e vida. Agradeço a todos os colegas de turma, em especial a Pedro, Diogo e Lucas por todas as batalhas vencidas durante a graduação; a Luan, Diego e Kássia pela amizade sincera que levarei para sempre, muito obrigado a todos. Agradeço ao meu orientador Pedro Filipe de Luna Cunha que acreditou em mim e me apoiou na realização desse sonho, estando sempre disposto a me auxiliar e me ensinar. Agradeço também a todos os meus professores pelos ensinamentos prestados durante a graduação.

7 RESUMO O sistema estrutural composto apenas por lajes e pilares, denominado laje lisa, apresenta várias vantagens em relação ao sistema estrutural convencional (laje, vigas e pilares). No entanto, as lajes lisas apresentam alguns problemas e, dentre eles, o mais preocupante é o efeito da punção na ligação direta laje-pilar. Diante dessas considerações, o presente trabalho tem como objetivo analisar e demonstrar a influência dos fatores:, altura da laje ( ) e as dimensões dos pilares ( ), nas verificações à punção, no dimensionamento e nos quantitativos referentes às lajes lisas, por meio das variações desses fatores em 12 lajes, utilizando-se rotinas de cálculos do Excel baseadas na ABNT NBR 6118 (2014), além do software comercial Eberick V8. Esses procedimentos tiveram como finalidade fazer verificações acerca de como as tensões solicitantes e resistentes à punção se comportaram diante de tais variações, assim como estimar o aumento nas quantidades dos materiais, de modo a se fazer uma análise comparativa de custo-benefício entre os fatores estudados e, assim, tornar possível a avaliação de qual o fator mais viável para contornar os efeitos cisalhantes causados pela punção. Com isso, observou-se uma considerável vantagem dos resultados obtidos com as variações do sobre os demais fatores, tanto no contorno crítico C ( 28% a 56% mais eficaz que as variações de h, e 20% a 42% mais eficaz que as variações nas dimensões dos pilares) como no contorno crítico C ( 10% a 16% mais eficaz que as variações de h, e 15% a 27% mais eficaz que as variações nas dimensões dos pilares). No contorno crítico C, o aumento na altura da laje ( ) apresentou maiores reduções na área de aço para a armadura à punção, e o aumento nas dimensões dos pilares apresentou resultados eficientes apenas no contorno crítico C com uma considerável redução da tensão solicitante, além de ter apresentado um elevado custo para tais mudanças, tornando essa prática inviável. Palavras-Chave: Variação nos Fatores. Punção. Lajes Lisas.

8 ABSTRACT The structural system composed only of pillars and slabs, named of flat slabs, has several advantages over conventional structural system (slabs, beams and pillars). However, the flat slabs have some problems and, among them, the main concern is the punch effect on the direct slab-column connection. In view of those considerations, this study aims to analyze and demonstrate the influence of factors: :, slab height (h) and dimensions of the pillars ( ) in punch checks, in dimension and quantitative relating to flat slabs, through the variations of these factors into 12 slabs using routines Excel calculations based in ABNT NBR 6118 (2014), beyond the commercial Eberick V8 software. These procedures were intended to make checks on how the application and punch resistant strains behaved before such variations, as well as estimate the increase in the quantitative of materials, in order to make a comparative analysis of cost-effectiveness among the factors studied, and thus make possible the evaluation of which the most viable factor to circumvent the shear effects. Thus, there was a considerable advantage of the results obtained with the variations on other factors, both the critical contour C (28 % to 56 % more effective than the variations h, and 20 % to 42 % more effective than the variations in the dimensions of the pillars) as the critical contour C (10 % to 16 % more effective than h variations, and 15 % to 27 % more effective than the variations in the dimensions of the pillars). At the critical contour C', the increase in height of the slab (h) showed greater reductions in steel area for armor to punch, and the increase in the dimensions of pillars showed efficient results only in critical contour C with a considerable reduction of the requester strain, and also presented a high cost for such changes, making this a infeasible practice. Keywords: Changes in factors. Punch. Flat slabs.

9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1- Colapso parcial do edifício Pipers Row Park em 25/03/ Figura 2a - Laje lisa Figura 2b - Laje cogumelo Figura 3a - Laje lisa utilizando drop-panel Figura 3b - Laje cogumelo utilizando capitel e drop-panel Figura 4 - Inclinação da superfície de ruptura Figura 5a - Surgimento de fissuras radiais Figura 5b - Surgimento de fissuras tangenciais Figura 6 - Concentração de tensões nos cantos e no menor lado de pilares alongado Figura 7a - Tipos de estribos e gancho Figura 7b - Detalhe da ancoragem dos ganchos Figura 8a Aplicação de conectores tipo pino Figura 8b Detalhe dos conectores tipo pino Figura 9 - Ancoragem dos conectores na armadura à flexão Figura 10 - Barras dobradas Figura 11 - Perfis metálicos Shearheads Figura 12 - Segmentos de perfis metálicos I, Segmentos de perfis metálicos I, com furo para fixação Figura 13 - Superfície crítica no contorno C Figura 14 - Superfície crítica no contorno C, sem armadura Figura 15 - Superfície crítica no contorno C, com armadura Figura 16 - Superfície crítica no contorno C Figura 17 - Representação das alturas uteis das duas direções ortogonais Figura 18 - Determinação de Figura 19 - Dimensões Figura 20 - Dimensões para pilares internos com momentos nas duas direções Figura 21 - Perímetro crítico reduzido do contorno C' para pilares de borda Figura 22 - Excentricidade do perímetro critico reduzido do contorno C' para pilares de borda Figura 23 - Disposição dos parâmetros para a situação de pilares de canto Figura 24 - Distancias para se determinar a excentricidade em pilares de canto Figura 25 - Perímetro critico reduzido do contorno C para pilares de canto... 48

10 Figura 26 - Definição da região de cálculo de e da altura útil d Figura 27 - Disposição da armadura para pilares internos Figura 28 - Comportamento da ligação laje/pilar após a ruina por punção Figura 29 - Armadura contra o colapso progressivo, pilares internos, de borda e canto Figura 30 - Armadura contra o colapso progressivo Figura 31 - Disposição das armaduras e interferência de no cálculo do perímetro critico u Figura 32 - Detalhes da armadura de punção tipo pino Figura 33 - Espaçamentos necessários para os conectores Figura 34 - Disposição da armadura em pilares de borda e de canto Figura 35 Planta baixa do exemplo Figura 36 - Perspectiva isométrica da planta baixa do exemplo Figura 37 Diagrama de momento fletores nas duas direções Figura 38 Armadura negativa na direção x Figura 39 Armadura negativa na direção y Figura 40 Dimensões dos conectores tipo pino da armadura à punção Figura 41- Detalhamento em planta da armadura à punção do Pilar P Figura 42 Detalhamento da armadura contra o colapso progressivo Figura 43 Demonstração da planilha de verificação do contorno crítico C Figura 44 - Demonstração da planilha de verificação do contorno crítico C (para o caso da não utilização de armadura) Figura 45 - Demonstração da planilha de verificação do contorno crítico C (para o caso da utilização de armadura) Figura 46 - Demonstração da planilha de verificação do contorno crítico C... 74

11 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Perímetros críticos para pilares internos Tabela 2 Valores do coeficiente K Tabela 3 Equações de para pilares internos de seção retangular Tabela 4 Perímetros críticos reduzido para pilares de borda Tabela 5 Expressões para as excentricidades, para o caso de pilares de borda Tabela 6 Equações de para pilares de borda, sem momento atuando no plano paralelo à borda livre Tabela 7 Equações de para pilares de borda, com momento atuando no plano paralelo à borda livre Tabela 8 Expressões para as excentricidades, para o caso de pilares de canto Tabela 9 Perímetros críticos reduzidos para pilares de canto Tabela 10 Equações de para pilares de canto Tabela 11- Lajes estudadas e suas respectivas mudanças nos fatores Tabela 12 Materiais de construção analisados e seus respectivos preços Tabela 13 Valores das tensões resistentes e solicitantes com a variação da resistência do concreto ( ) Tabela 14 - Valores das tensões resistentes e solicitantes com a variação da altura da laje Tabela 15 - Valores das tensões resistentes e solicitantes com a variação das dimensões dos pilares Tabela 16 Quantitativos parciais dos materiais apenas da laje, sem o pilar, com a variação da resistência do concreto ( )...79 Tabela 17 Quantitativos parciais dos materiais apenas da laje, sem o pilar, com a variação da altura da laje (h) Tabela 18 Quantitativos parciais dos materiais apenas dos pilares, sem a laje, com a variação das dimensões dos pilares ( ) Tabela 19 Custos parciais apenas da laje, sem os pilares, referentes a variação da resistência a compressão do concreto (...80 Tabela 20 Custos parciais apenas da laje, sem os pilares, referentes a variação da altura da laje (h) Tabela 21- Custos parciais apenas dos pilares, sem a laje, referentes a variação das dimensões dos pilares ( )... 80

12 Tabela 22 Variação total do valor dos materiais em função da variação da resistência a compressão do concreto Tabela 23-Variação total do valor dos materiais em função da variação da altura da laje (h) Tabela 24 Variação total do valor dos materiais em função da variação das dimensões dos pilares ( ) Tabela 25 Relação custo benefício no contorno crítico C Tabela 26 Relação custo benefício no contorno crítico C Tabela 27 - Quantitativos da armadura à punção, referentes a variação da resistência à compressão do concreto Tabela 28 - Quantitativos da armadura à punção, referentes a variação da altura da laje (h) Tabela 29 - Quantitativos da armadura à punção, referentes a variação das dimensões dos pilares ( )... 85

13 LISTA DE GRÁFICOS Gráfico 1 Variação da tensão resistente no contorno crítico C Gráfico 2 Variação da tensão solicitante no contorno crítico C Gráfico 3 Variação da tensão resistente no contorno crítico C Gráfico 4 Variação da tensão solicitante no contorno crítico C Gráfico 5 Variação no custo total de acordo com as variações de cada fator analisado...91 Gráfico 6 Relação custo benefício no contorno crítico C Gráfico 7 Relação custo benefício no contorno crítico C Gráfico 8 Variação da área de aço da armadura à punção... 94

14 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT CEB CAA ELS ELU Associação Brasileira de Normas Técnicas Comitê Euro-Internacional de Betão Classe de Agressividade Ambiental Estado Limite de Serviço Estado Limite Último

15 LISTA DE SÍMBOLOS Resistência característica à compressão do concreto Resistência de cálculo à compressão do concreto Altura útil da laje Altura útil da laje na direção x Altura útil da laje na direção y Altura da Laje Dimensão do pilar paralela à excentricidade da força Dimensão do pilar perpendicular à excentricidade da força Taxa de armadura à flexão Taxa de armadura à flexão na direção x Taxa de armadura à flexão na direção y Área de aço da armadura à punção Área de aço da armadura à flexão Área de aço de flexão na direção x em uma determinada seção transversal Área de aço de flexão na direção y em uma determinada seção transversal Área de concreto em uma determinada seção transversal Contorno crítico no entorno dos pilares Contorno crítico a uma distância 2.d da face dos pilares Contorno crítico a uma distância 2.d do último contorno de armaduras à punção Tensão resistente do contorno crítico C Tensão resistente do contorno crítico C Tensão resistente do contorno crítico C Tensão solicitante dos contornos críticos Força ou a reação concentrada de cálculo Cobrimento superior da laje Perímetro crítico do contorno C Perímetro crítico do contorno C Perímetro crítico do contorno C Perímetro crítico reduzido do contorno C Perímetro crítico reduzido do contorno C

16 Perímetro crítico reduzido do contorno C Distância da face do pilar pro ultimo contorno de armadura à punção Espaçamento entre os pinos no contorno de armadura mais distante da face do pilar Espaçamento radial entre os contornos de armadura à punção Espaçamento entre a face do pilar e o primeiro contorno de armadura à punção Módulos de resistência plástica nas direções paralelas aos momentos correspondentes. Coeficiente que fornece a parcela do momento transmitida ao pilar por cisalhamento. Momento de cálculo transmitido pela laje ao pilar Momento de cálculo resultante da excentricidade do perímetro crítico reduzido Excentricidade do perímetro crítico reduzido Coeficiente de efetividade do concreto Resistência de cálculo da armadura de punção Resistência característica de escoamento do aço Resistência de cálculo de escoamento do aço Somatório de todas as áreas das barras inferiores que cruzam cada uma das faces do pilar Comprimento infinitesimal no perímetro crítico u

17 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO JUSTIFICATIVA OBJETIVOS OBJETIVO GERAL OBJETIVOS ESPECIFICOS REVISÃO DE LITERATURA LAJES LISA E COGUMELO PUNÇÃO FATORES QUE INFLUENCIAM NA RESISTÊNCIA À PUNÇÃO Espessura da laje ou altura útil da laje Dimensões, formato e posição do pilar Resistência do concreto Taxa de armadura de flexão Armadura de punção TIPOS DE ARMADURA DE PUNÇÃO Estribos e ganchos Conectores tipo pino Barras dobradas Perfis metálicos Shearheads Segmentos de perfis metálicos SUPERFÍCIES DE CONTROLE C, C E C Definições das tensões solicitantes segundo à ABNT NBR 6118: Definições das tensões resistentes segundo à ABNT NBR 6118: ARMADURA CONTRA COLAPSO PROGRESSIVO REQUISITOS PARA O DETALHAMENTO DA ARMADURA À PUNÇÃO TIPO PINO ANÁLISE ESTRUTURAL DE LAJES LISAS Método de analogia de grelha Software Eberick V

18 5 METODOLOGIA PROJETO ANALISADO CÁLCULOS DOS ESFORÇOS EXEMPLO DE CÁLCULO PARA UM PILAR INTERNO COM MOMENTOS ATUANDO NAS DUAS DIREÇÕES LAJES VERIFICADAS Determinação das tensões resistentes e solicitantes à punção relacionados à mudança dos fatores Determinação dos quantitativos relacionados a mudança dos fatores RESULTADOS VARIAÇÕES NAS TENSÕES EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DOS FATORES VARIAÇÕES NOS QUANTITATIVOS DOS MATERIAIS UTILIZADOS EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DOS FATORES VARIAÇÕES NA ARMADURA À PUNÇÃO NO CONTORNO CRÍTICO C DISCUSSÕES TENSÕES NOS CONTORNOS C E C QUANTITATIVOS NOS CONTORNOS C E C RELAÇÕES CUSTOS/TENSÕES TENSÕES E ÁREA DE AÇO DOS PINOS NO CONTORNO C CONSIDERAÇÕES FINAIS SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS...95 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APENDÍCE A QUANTITATIVOS REFERENTES ÀS VARIAÇÕES DOS FATORES ANALISADOS POR MEIO DO SOFTWARE EBERICK V8...99

19 16 1 INTRODUÇÃO Com o crescente aumento do uso de lajes que não utilizam vigas nas edificações, denominadas lajes cogumelos e lajes lisas (com e sem capitel respectivamente), as quais visam suprir vários requisitos que outros sistemas de lajes não atenderiam como economia de custos, tempo de execução e flexibilidade arquitetônica, torna-se imprescindível o estudo, análise e o desenvolvimento desses sistemas estruturais compostos por pavimentos sem vigas, objetivando contornar problemas estéticos, estruturais e econômicos. Apesar da simples aparência, essas lajes apresentam um complexo comportamento ao cisalhamento, podendo haver ruptura transversal por punção em torno de regiões da laje submetidas a altas tensões junto aos contornos dos pilares. Um dos casos de acidentes estruturais devido à punção (figura 1) se refere ao colapso parcial do edifício Pipers Row Car Park, localizado na cidade de Wolverhampton, Inglaterra (WOOD, 1997). Figura 1- Colapso parcial do edifício Pipers Row Park em 25/03/1997 Fonte: WOOD, 1997, p.5. Paiva et al. (2015) explica que o dimensionamento de pavimentos com lajes lisas ou cogumelo envolve, entre outras análises, a verificação da resistência à punção da ligação lajepilar. Esta é uma etapa essencial na execução do projeto, já que a estrutura pode atingir um

20 17 ELU (Estado Limite Último) devido ao esgotamento da capacidade resistente ao cisalhamento nos contornos da ligação laje-pilar, em um modo de ruptura denominado punção. Diante da ausência de uma teoria capaz de explicar e prever com precisão os mecanismos de ruptura por punção, em função dos diversos parâmetros envolvidos, a análise e o dimensionamento de lajes lisa e cogumelo é feita seguindo recomendações de normas, onde essas recomendações são fundamentalmente empíricas e assumem que a tensão resistente ao cisalhamento seja constante ao longo de um perímetro de controle ou superfície crítica, sendo esta tensão resistente definida como sendo uma função de fatores como resistência à compressão do concreto, altura útil da laje, taxa de armadura à flexão e dimensões, geometria e posição dos pilares. Sendo assim, o presente Trabalho de Conclusão de Curso, através das prescrições contidas na ABNT NBR 6118 (2014), analisou a influência de alguns dos principais fatores envolvido nas tensões solicitantes e resistentes dos contornos críticos, como a resistência à compressão do concreto, altura útil da laje e as dimensões dos pilares, a fim de verificar as variações das tensões em função desses parâmetros. Outro fator analisado foi de que maneira a mudança desses mesmos fatores interfere no quantitativo dos principais materiais utilizados, demonstrando assim, através de uma relação entre as duas análises, qual alternativa de mudança de fatores apresenta melhor custo-benefício, no que diz respeito as lajes lisas.

21 18 2 JUSTIFICATIVA As estruturas de concreto armado de edifícios podem ser concebidas de diversas maneiras, sendo o sistema reticulado composto por lajes, vigas e pilares, chamado de estrutura convencional, o mais usado até hoje no Brasil. Contudo, existem outros tipos de estruturas que vêm em crescente utilização, visando suprir necessidades que o sistema convencional (laje, vigas e pilares) não atende. Essas estruturas são denominadas lajes lisas ou lajes cogumelo, sendo as primeiras mais apropriadas devido ao fato de não possuírem capitel, garantindo assim algumas vantagens desse tipo de sistema estrutural, como por exemplo uma maior flexibilidade arquitetônica devido à ausência dos capitéis e vigas. Lajes lisas são essencialmente lajes que têm como principal característica o não uso de vigas e capitéis, possibilitando assim uma ligação direta entre laje e pilar. Porém, apesar dos vários benefícios apresentados, esse sistema está sujeito a grandes esforços concentrados nas regiões de contorno dos pilares, denominados de punção. A resistência à punção é um fator importante no dimensionamento desse tipo de estrutura, sendo esta um fator condicionante frequentemente utilizado para a escolha da espessura da laje, geometria dos pilares, da resistência à compressão do concreto, do uso de capitel ou pela escolha do uso de armadura de cisalhamento (TRAUTWEIN, 2006). Portanto, como é um sistema que vem ganhando espaço atualmente, é comum que não existam dados suficientes para nos guiar em uma eficaz análise do sistema laje-pilar, como o sistema convencional possui. Assim, este Trabalho de Conclusão de Curso visa analisar minuciosamente e de forma clara os principais fatores que influenciam a resistência à punção, possibilitando assim uma facilidade maior no entendimento da análise e dimensionamento da ligação direta entre laje-pilar em lajes lisas, de acordo com a ABNT NBR 6118 (2014).

22 19 3 OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GERAL Analisar o efeito da punção em lajes lisas de concreto armado, através das recomendações feitas pela ABNT NBR 6118 (2014), visando facilitar e acrescentar um maior entendimento na concepção e dimensionamento desse tipo de sistema estrutural. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Dimensionar armadura à punção do tipo pino para a um pilar interno sob efeito de momentos nas duas direções segundo as prescrições da ANBT NBR 6118 (2014), assim como dimensionar a armadura contra o colapso progressivo; Demonstrar e verificar a influência dos fatores:, altura da laje (h) e consequentemente da altura útil (d), e as dimensões dos pilares (, no dimensionamento à punção de pilares internos com momentos atuando nas duas direções, através da variação desses fatores; Analisar como as mudanças nos fatores estudados influenciam no quantitativo dos principais materiais envolvidos no processo construtivo de lajes lisas de concreto armado; Realizar comparações de custo-benefício entre os fatores analisados, de modo a esclarecer quais fatores apresentam resultados favoráveis à um dimensionamento viável e eficaz.

23 20 4 REVISÃO DE LITERATURA 4.1 LAJES LISAS E COGUMELO A definição segundo a norma ABNT NBR 6118 (2014) para lajes lisas é que estas são lajes apoiadas diretamente nos pilares, enquanto lajes cogumelo são lajes apoiadas em capitéis nos pilares (figura 2b), ou seja, a denominação lajes lisas nada mais é do que uma denominação para lajes que se apoiam diretamente sobre os pilares sem capitéis (figura 2a). Além disso, para lajes maciças, seus limites máximos de espessura são de 16 cm para lajes lisas e 14 cm para lajes-cogumelo, fora do capitel. Geralmente, a capacidade resistente das lajes lisas e cogumelo é determinada pelas tensões tangenciais de punção que ocorrem no entorno dos pilares de apoio. Para que se reduza essas tensões tangenciais, algumas das alternativas são: alargar as seções de topo dos pilares, o que dá origem aos capitéis, ou aumentar a espessura da laje (ARAÚJO, 2010). Ainda segundo Araújo (2010), capitéis geralmente são projetados com a forma troncocônica ou tronco-piramidal e, por essas formas serem complexas, tem sido evitado o emprego de lajes com capitéis, devido à dificuldade na execução das fôrmas. Figura 2a Laje lisa Figura 2b Laje cogumelo Fonte: SANTOS et al., 2014, p Vale ressaltar que o aumento de seção no pilar é comumente chamado de capitel, enquanto o termo drop-panel, ou ábaco, é dito como um aumento da espessura da laje na ligação laje-pilar (figura 3 a), e ainda há os casos onde se utilizam os dois mecanismos citados simultaneamente (figura 3 b).

24 21 Figura 3a Laje lisa utilizando drop-panel Fonte: SANTOS et al, 2014, p Figura 3b Laje cogumelo utilizando capitel e drop-panel Fonte: RABELLO, 2010, p. 24. Segundo Trautwein (2006), a utilização de estruturas com a ausência de vigas tornouse habitual nos últimos anos. Isto se deve fundamentalmente à simplicidade, economia de tempo, execução e custos das mesmas, assim como a flexibilidade de utilização dos espaços construídos. Em relação as vantagens das lajes lisas, Guarda (1995) explica que as principais vantagens em relação a estruturas com lajes, vigas e pilares, são:

25 22 Simplificação na execução das fôrmas, onde devido à ausência de vigas ocorre uma diminuição dos recortes, ocasionando uma maior agilidade no processo construtivo e redução de custo; O arranjo das armaduras de flexão é mais simples e consequentemente de execução mais fácil, havendo também a possibilidade do uso de telas soldadas; Maior facilidade no lançamento, adensamento e desforma do concreto, reduzindo a possibilidade de ocorrência de falhas; Redução da altura total do edifício, possibilitando aumentar o número de pavimentos; A inexistência de vigas acarreta numa diminuição dos revestimentos. Apesar das inúmeras vantagens sobre outros tipos de lajes, uma das desvantagens é que as lajes lisas e cogumelo não devem ser utilizadas em qualquer situação. No caso dos edifícios residenciais, por exemplo, normalmente não há uma disposição regular dos pilares, e a solução através de laje lisa/cogumelo pode ser antieconômica. E segundo Ferreira (2010), além da irregularidade na concepção estrutural, as principais desvantagens desse tipo de pavimento se referem à estabilidade global do edifício, aos deslocamentos verticais da laje (flechas) e ao efeito de punção. A ausência das vigas torna a estrutura muito deformável frente as ações horizontais, o que é um sério problema em edifícios altos. Grandes deslocamentos verticais (flechas) ocorrem principalmente nas bordas livres e podem chegar a atingir um ELS (estado limite de serviço). Porém, a possibilidade de uma ruptura localizada por punção na ligação laje-pilar é o ponto mais crítico, uma vez que ela pode se propagar e levar a estrutura à ruina parcial ou total, por colapso progressivo. No caso da estabilidade global, é necessário projetar elementos de contraventamento, como paredes estruturais e pilares-paredes nas caixas de elevadores, para garantir a indeslocabilidade horizontal e uma adequada rigidez (ARAÚJO, 2010).

26 23 No que diz respeito às flechas, uma solução seria a adoção de vigas de borda, já que as bordas são as regiões mais críticas em relação aos grandes deslocamentos, dispondo assim a essas regiões, maior rigidez. Outra solução seria o aumento da espessura da laje, para que o valor da flecha seja igual ao de uma laje convencional. Trautwein (2006) ainda explica que em relação ao efeito de punção, inúmeras normas, sejam nacionais (ABNT NBR 6118:2014) ou internacionais, analisam e prescrevem como devem ser feitas as previsões de cargas de ruptura em lajes lisas, para casos com e sem armadura à punção, onde ambas as normas sugerem que a previsão seja feita através de uma comparação feita pela tensão nominal de cisalhamento atuando em uma dada superfície de controle, e comparando essa tensão com a resistência do concreto ao cisalhamento, que é calculada em função de vários fatores. Guarda (1995) ainda ressalta que a punção é o principal problema das lajes-lisas, e que este pode ser solucionado adequando-se a espessura da laje e as dimensões dos pilares, assim como outros fatores, ou ainda adotando armadura específica de combate a punção. 4.2 PUNÇÃO Punção, segundo a ABNT NBR 6118 (2014), é o estado limite último determinado por cisalhamento no entorno de forças concentradas. É decorrente da grande concentração de tensões na região da ligação laje-pilar. A punção é caracterizada pela atuação de uma força concentrada sobre uma área de um elemento estrutural plano. Essa força causará, no seu entorno, elevadas tensões cisalhantes, podendo causar a ruína desse elemento. Em lajes lisas, o pilar introduz essa força concentrada, e a ruína ocorre na ligação laje-pilar. A ruptura por punção pode acontecer de forma abrupta e sem aviso prévio. (TRAUTWEIN, 2006, p. 6). Segundo Takeya (1981), pesquisas realizadas mostram que a ruína por punção ocorre com predominância do deslocamento vertical da laje ao longo da superfície de ruptura inclinada de 30 a 35 em relação ao plano da laje (figura 4). Em rupturas por punção, a armadura de flexão não atinge o seu limite de escoamento sendo, portanto, uma ruína do tipo frágil.

27 24 Figura 4 Inclinação da superfície de ruptura Fonte: MELGES, 1995, p. 25. De acordo com Lima (2001), em lajes lisas sob efeito de carregamentos concentrados simétricos, o aparecimento de fissuras se dá de forma radial, as quais começam quase no centro das lajes e se estendem na direção do perímetro das mesmas (figura 5a), e que acerca de 2/3 da força última de punção, surgem algumas fissuras tangenciais na região da punção (figura 5b), a partir das quais se desenvolvem as superfícies de ruptura por cisalhamento do cone de punção, com inclinação média da ordem de 25 a 30º (figura 4). Figura 5a Surgimento de fissuras radiais Figura 5b Surgimento de fissuras tangenciais Fonte: LIMA, 2001, p. 6. Fonte: LIMA, 2001, p. 6.

28 FATORES QUE INFLUENCIAM NA RESISTÊNCIA À PUNÇÃO Para que se possa contornar os efeitos da punção, e para que esse contorno se dê de forma eficaz, é necessário saber como os fatores que influenciam a punção atuam nas verificações prescritas pelas normas, de modo que se escolham os valores adequados para cada um desses fatores, tendo em vista que cada fator interfere de forma diferente nas tensões resistentes e solicitantes em cada contorno crítico. Resultados de inúmeros ensaios indicam que a resistência à punção de lajes lisas sem armadura de cisalhamento é influenciada principalmente pela resistência à compressão do concreto, pela taxa de armadura de flexão tracionada, pela espessura da laje e pelo tamanho e a geometria do pilar (SACRAMENTO et al., 2012). Além desses parâmetros, outro fator que influencia significativamente na resistência à punção de ligações laje-pilar é a utilização de armaduras de cisalhamento. Sua eficiência está ligada diretamente com as condições de ancoragem (FERREIRA, 2010). A seguir, estão mencionados os principais fatores que influenciam a resistência à punção: Espessura da laje ou altura útil da laje Segundo Figueiredo Filho (1989), ensaios mostraram que o aumento da resistência da ligação é proporcional ao quadrado da altura útil. Dessa maneira, essa resistência aumenta bastante com o aumento da espessura da laje porém, perante o aumento nessa espessura, a carga permanente também é acrescida, tornando o ganho real da resistência com o aumento da espessura aproximadamente linear. Assim, como opção, pode ser feito o aumento da espessura da laje apenas na região da ligação com o pilar ( drop-painel ), ou o aumento da espessura dos pilares (capitéis). No entanto, Melges (2001) explica que a utilização de drop panels apresenta alguns inconvenientes: perdem-se vantagens oferecidas pelo teto liso, e embora a resistência da ligação seja aumentada, a utilização desses elementos estruturais não fornece ductilidade à ligação, além de prejudicar alguns aspectos arquitetônicos.

29 Dimensões, formato e posição do pilar O índice de retangularidade é a relação entre as dimensões do pilar, ou seja, quanto mais retangular for o pilar, menos resistência ele terá em relação a um pilar com dimensões parecidas. Contudo, a ABNT NBR 6118 (2014), não prevê nenhum fator que modifique as características do perímetro crítico de um pilar quadrado para um retangular, sendo assim, a relação entre as dimensões dos pilares apenas interfere na parcela do momento desbalanceado transmitido ao pilar. Em relação ao índice de retangularidade, Mouro (2010) explica que à medida que o índice de retangularidade aumenta, a resistência à punção e a resistência à flexão diminuem. Quanto ao formato, Vanderbilt (apud SACRAMENTO et al., 2012) ensaiou lajes apoiadas em pilares de seção circular e quadrada e monitorou a região da laje nas extremidades dos pilares, onde o mesmo percebeu que, em pilares de seção quadrada, as tensões se concentravam nos cantos dos pilares (figura 6). Quanto à posição do pilar é considerado que, em pilares de borda e canto, a parte mais próxima a borda não é efetiva na absorção das tensões cisalhantes, tornando assim menores as seções de contatos entre a laje e os pilares nessas regiões. As normas recomendam que para essas regiões, seja calculado um perímetro crítico reduzido. Quando há transferência de momentos não balanceados da laje para o pilar, a influência da posição torna-se ainda mais crítica para pilares de bordas e de canto, quando o momento não balanceado é máximo e a seção em torno do pilar em contato com a laje é menor, tendo que haver nesses casos uma redução do perímetro crítico (FIGUEIREDO FILHO, 1982). Figura 6 Concentração de tensões nos cantos e no menor lado de pilares alongado Fonte: MELGES, 2001, p. 41.

30 Resistência do concreto A resistência característica à compressão do concreto ( ) está diretamente ligado a determinação das tensões resistentes em todos os contornos críticos que devem ser feitos nas verificações à punção e, apesar de não atribuir a estrutura uma maior ductilidade na ligação laje-pilar, este é um dos fatores mais eficazes, principalmente para lajes lisas sem armadura à punção, tendo em vista que a variação do não aumenta a tensão solicitante, nem interfere nos aspectos arquitetônicos. A resistência à punção da ligação laje-pilar está relacionada à resistência do concreto à tração, e algumas normas admitem que essa resistência seja proporcional ao valor da raiz quadrada da resistência à compressão. Porém, mesmo com o aumento da resistência da ligação, em função do aumento da resistência do concreto, essa resistência não confere à laje uma melhor ductilidade com relação à ruína (FUSCO, 1984) Taxa de armadura de flexão A taxa de armadura de flexão tracionada é definida como a razão entre a área de armadura de flexão tracionada pela área de concreto, a qual é dada pelo produto da altura útil da laje por uma determinada largura a ser considerada. A importância da taxa de armadura de flexão decorre de sua influência sobre o efeito de pino (essa afirmação será melhor detalhada no tópico sobre armadura contra o colapso progressivo) da armadura longitudinal, após a fissuração da borda tracionada da peça, e de sua influência sobre a manutenção do engrenamento dos agregados. Uma maior taxa de armadura causa menor incidência de fissuras; uma menor taxa, ao contrário, eleva a fissuração (FUSCO, 1984). A taxa de armadura à flexão influencia na resistência à punção, principalmente nos casos de lajes que não possuem armadura de cisalhamento. Isso ocorre devido ao aumento na taxa de armadura de flexão, que possui como efeito o aumento da zona comprimida, reduzindo a fissuração na ligação laje-pilar por flexão, o que é benéfico por facilitar a formação de mecanismos contra os esforços cisalhantes (SACRAMENTO et al., 2012).

31 Armadura de punção Melges (1995) mencionou que o uso de armaduras é o mais indicado para se aumentar a resistência aos efeitos cisalhantes pois, além de elevar o valor da resistência da ligação lajepilar, fornece-lhe ductilidade, contribuindo assim para a mudança do tipo de ruina previsto de frágil (punção) para dúctil (flexão). Para serem consideradas eficientes do ponto de vista técnico, as armaduras de cisalhamento precisam atender aos critérios de ancoragem e praticidade de instalação. A ABNT NBR 6118 (2014) recomenda que as armaduras contra a punção sejam usadas com a finalidade de aumentar a resistência e a ductilidade das ligações laje-pilar. No caso de a estabilidade global da estrutura depender da resistência da laje à punção, deve-se prever uma armadura de punção, mesmo que os esforços solicitantes da ligação sejam menores que os resistentes, e essa armadura deve equilibrar no mínimo 50% da força de reação proveniente da laje no pilar. 4.4 TIPOS DE ARMADURA DE PUNÇÃO Segundo Figueiredo Filho (1989), em quaisquer que sejam as armaduras de cisalhamento utilizadas nas lajes sem vigas, os seguintes requisitos devem ser alcançados: Efetiva ancoragem nas duas extremidades da armadura, mesmo em lajes finas; Não devem dificultar a colocação das demais armaduras (flexão e pilar), e interferir o mínimo possível no seu posicionamento; Devem ser possíveis de colocar mesmo em lajes finas; Placas de ancoragem não devem se projetar acima da superfície da laje; Devem ser econômicas. Com o objetivo de desenvolver armaduras de cisalhamento que sejam efetivas no aumento da resistência a punção, várias pesquisas têm sido realizadas com diversos tipos de armaduras, dentre as quais pode-se citar:

32 29 conectores): Armaduras recomendadas pela ABNT NBR 6118 (2014), (com preferência aos Estribos e ganchos; Conectores tipo pino; Outros tipos de armaduras ao cisalhamento: Barras dobradas; Perfis metálicos Shearheads ; Segmentos de perfis metálicos; Sistema Shearband Estribos e ganchos Os estribos podem ser abertos em forma de ganchos, ou fechados em forma de retângulos, podendo estar associados entre si de 1, 2 ou 3 ramos (figura 7a). Eles podem ainda ser inclinados ou não. Os estribos não são totalmente efetivos nas lajes delgadas, e isso ocorre devido ao fato do escorregamento da ancoragem do estribo. Este escorregamento acontece nas dobras de todos os estribos, e proporciona grandes aberturas às fissuras de cisalhamento, a menos que barras longitudinais de grande bitola sejam usadas (RABELLO, 2010). Em relação aos ganchos, seus desempenhos foram considerados satisfatórios. Em ensaios realizados por Takeya (1981), os ganchos possuem a vantagem de não interferirem nas armaduras de flexão da laje e nem nas armaduras dos pilares, e serem de fácil montagem e execução. No entanto, os ensaios confirmaram que para este tipo de armadura de punção, deve-se garantir que não haja folga entre o gancho e as faces superiores da armadura de flexão (Figura 7b) que estão lhe servindo de apoio, para a sua devida ancoragem, caso contrário, toda a sua eficácia estará comprometida, bem como a segurança da ligação, o que não é fácil de se garantir na fase de execução na obra.

33 30 Figura 7a Tipos de estribos e gancho Fonte: RABELLO, 2010, p. 47. Figura 7b - Detalhe da ancoragem dos ganchos Ancoragem correta Ancoragem incorreta Fonte: MELGES, 1995, p Conectores tipo pino O uso de conectores tipo pino com extremidades alargadas (figura 8a e 8b) é o tipo de armadura à punção recomendada pela ABNT NBR 6118 (2014), e apresenta as seguintes vantagens, mencionadas por Figueiredo Filho (1989): São fáceis de instalar, mesmo em lajes relativamente finas; Não interferem na colocação e posicionamento das armaduras dos pilares e de flexão das lajes; Possibilitam ancoragem satisfatória nas duas extremidades, de modo que a armadura atinja toda a sua capacidade resistente antes da ruptura; Aumentam a resistência e ductilidade da ligação.

34 31 Figura 8a Aplicação de conectores tipo pino Fonte: MELGES, 2001, p. 52. Figura 8b Detalhe dos conectores tipo pino Fonte: MELGES, 2001, p. 52. A chapa metálica inferior ainda possui a vantagem de garantir o posicionamento correto dos conectores na obra, além de ser nela onde são fixados os suportes plásticos para que seja garantido o cobrimento mínimo da laje. Para que a ancoragem seja efetiva, deve-se garantir que a armadura de flexão negativa esteja abaixo da chapa de ancoragem superior do conector (figura 9).

35 32 Figura 9 Ancoragem dos conectores na armadura à flexão Certo Errado Errado Fonte: MELGES, 1995, p Barras dobradas No exemplo da figura 10, as barras estão representadas como sendo o prolongamento da armadura negativa de flexão, estando ancoradas na face inferior da laje. Muitos pesquisadores têm verificado que armaduras de cisalhamento constituídas de barras dobradas não são totalmente eficazes no combate à punção, ou seja, a tensão de escoamento dessas barras não é atingida na ruptura. A razão disso é que não existe altura suficiente nas lajes para a efetiva ancoragem das barras dobradas, impedindo o desenvolvimento de sua capacidade total. Porém, mesmo não aumentando a ductilidade, essas armaduras apresentam um aumento na resistência da laje (FIGUEIREDO FILHO, 1989). Figura 10 Barras dobradas Fonte: MELGES, 1995, p. 32. Outra desvantagem das barras dobradas é que elas também absorvem parte dos esforços de flexão, já que geralmente são prolongamentos da armadura negativa de flexão, não sobrando assim muita capacidade para resistir também aos esforços de cisalhamento.

36 Perfis metálicos Shearheads "Shearheads" são perfis metálicos embutidos na laje e posicionados na região da ligação da laje com o pilar, onde os perfis metálicos tipo U são posicionados na região adjacente ao pilar, enquanto os perfis tipo I atravessam cabeça do pilar (figura 11). Figura 11 Perfis metálicos Shearheads Perfis metálicos tipo U Perfis metálicos tipo I Fonte: RABELLO, 2010, p.50. Ensaios feitos por Corley e Hawkins (apud TAKEYA, 1981) constataram que corposde-prova com "shearhead" tiveram um aumento na resistência da ligação da ordem de 75% em relação a corpos-de-prova sem este tipo de reforço e, dentro de certos limites, houve um aumento também da sua ductilidade. A situação analisada por eles foi a de ligações de laje com pilares internos, com carregamento simétrico. Entretanto, Gonçalves (1986) verificou através de ensaios, que a carga de ruína observada para pilares de borda utilizando "shearheads" foi menor que a dos modelos sem qualquer tipo de armadura transversal. Foi observado que, além de interferir na armadura do pilar e nas armaduras de flexão em lajes de pouca espessura, o uso de "shearheads" apresenta um custo elevado, sendo assim indicado apenas para pilares internos Segmentos de perfis metálicos Pode-se dizer que os segmentos metálicos são apenas um prolongamento de vários conectores tipo pino. Porém, apesar de contarem com mais aço, interferem na armadura à flexão, já que as barras longitudinais de flexão não podem passar pelos segmentos de perfis, como é feito entre os conectores tipo pino.

37 34 Sobre os segmentos de perfis metálicos, Figueiredo Filho (1989) explica que ao invés de conectores tipo pino, podem ser utilizados pequenos segmentos de perfis metálicos de seção transversal tipo "I" (figura 12). Este tipo de armadura, apesar de ser adequado segundo o ponto de vista da ancoragem do elemento na laje, não é recomendado segundo o ponto de vista de produção e de economia. Figura 12 Segmentos de perfis metálicos I, com furo para fixação. Fonte: MELGES, 1995, p SUPERFÍCIES DE CONTROLE C, C E C Segundo a ABNT NBR 6118 (2014), o modelo de cálculo contra à punção da superfície de controle corresponde à verificação do cisalhamento em duas ou mais superfícies críticas, definidas no entorno de forças concentradas, no qual se compara as tensões de cisalhamento atuantes nessas superfícies com as respectivas tensões resistentes. O método da superfície de controle é adotado pelas principais normas internacionais para a verificação da punção. Os contornos das superfícies são aproximadamente circulares ou arredondados, e as alturas, iguais às alturas úteis da laje. Mas isso não significa que se considere a ruptura por punção associada a uma superfície quase cilíndrica. Trata-se apenas de uma aproximação, pois, como se sabe, a superfície de ruína mais se parece com um tronco de cone. Além disso, a tensão de cisalhamento atuante no contorno crítico não tem nenhum significado físico. Portanto, esse método da superfície de controle deve ser entendido somente como um método empírico, que pode conduzir a resultados que se aproximam bastante daqueles dos modelos mecânicos. (LIMA, 2001, p.10). Na primeira superfície crítica (contorno C) do pilar, deve ser verificada indiretamente a tensão de compressão diagonal do concreto, através da tensão de cisalhamento, quando houver ou não armadura contra a punção (figura 13).

38 35 Figura 13 Superfície crítica no contorno C Fonte: Disponível em: < Acesso em abr Na segunda superfície crítica (contorno C') afastada do pilar, deve ser verificada a capacidade da ligação à punção, associada à resistência à tração diagonal (figura 14). Essa verificação também é feita através de uma tensão de cisalhamento, no contorno C'. Caso haja necessidade, a ligação deve ser reforçada por armadura transversal, e a verificação passa a ser em função da capacidade resistente da armadura e sua disposição. Nesse último caso (figura 15), necessita-se também de verificação em um contorno C. Figura 14 Superfície crítica no contorno C, sem armadura. Fonte: Disponível em: < Acesso em abr

39 36 Figura 15 Superfície crítica no contorno C, com armadura. Fonte: Disponível em: < Acesso em abr A terceira superfície crítica (contorno C'') apenas deve ser verificada quando for necessário colocar armadura transversal, verificando a resistência de ruptura do tirante a uma distância da última linha de armadura à punção. Essa verificação consiste em analisar se o concreto por si só já resiste aos esforços solicitantes. Uma vez que isso não se cumpra, é necessário acrescentar mais uma linha de armadura de punção (figura 16). Figura 16 Superfície crítica no contorno C Fonte: Disponível em: < Acesso em abr Assim, as verificações para cada caso (com e sem armadura à punção) são, resumidamente, as seguintes: Quando não for prevista armadura de punção, duas verificações devem ser feitas: Verificação da compressão do concreto, no contorno Verificação da punção, no contorno

40 37 Quando for prevista armadura de punção, três verificações devem ser feitas: Verificação da compressão do concreto, no contorno C ( Verificação da punção, no contorno C ( ; Verificação da punção, no contorno C ( Definições das tensões solicitantes segundo à ABNT NBR 6118:2014 Para o cálculo das tensões atuantes, devem ser considerados a posição dos pilares na estrutura e o tipo de carregamento, assim como a geometria dos pilares. Pilar interno, com carregamento simétrico No caso em que o efeito do carregamento pode ser considerado simétrico, ou seja, depender apenas da reação do pilar, a tensão solicitante pode ser escrita da seguinte forma: Onde: é a altura útil da laje no contorno crítico; são as alturas úteis nas duas direções ortogonais de acordo com a figura 17, no contorno critico considerado, definidas através das seguintes equações: ( ) e ( ) Onde: h é a altura da laje, é o cobrimento superior da laje, é a bitola da armadura negativa principal e é a bitola da armadura negativa secundária (figura 17).

41 38 Figura 17 Representação das alturas uteis das duas direções ortogonais é o perímetro crítico do contorno considerado, sendo contorno C e u para o contorno C (tabela 1): para o contorno C, u para o são as dimensões do pilar; é a área da superfície crítica que está sendo calculada, portanto pode ser escrita na forma ), para C,C ou C respectivamente; é a força ou a reação concentrada de cálculo, dada por (figura 18). A ABNT NBR 6118 (2014), permite que a força de punção pode ser reduzida da força distribuída aplicada na face oposta da laje, dentro do contorno considerado na verificação. Figura 18 Determinação de e Fonte: LIMA, 2001, p.19.

42 39 Tabela 1 Perímetros críticos para pilares internos Contorno crítico Perímetros críticos Fonte: FERREIRA, 2005, p. 31. O perímetro critico u é calculado para a hipótese de que no tópico 4.7, que trata das especificações de detalhamento da armadura., (figura 31), explicado Pilar interno com efeito de momento Neste caso, além da força vertical (, existe também a atuação de momento desbalanceado, devido ao efeito de alguma assimetria. Assim, a tensão é expressa através da equação: Onde: é a força ou a reação concentrada de cálculo, dada por (figura 18); é o momento solicitante de cálculo, dado por (figura 18); é o coeficiente que fornece a parcela de transmitida ao pilar por cisalhamento, que depende da relação (tabela 2); é a dimensão do pilar paralela à excentricidade da força(figura19); é a dimensão do pilar perpendicular à excentricidade da força (figura 19). Tabela 2 Valores do coeficiente K 0,5 1,0 2,0 3,0 0,45 0,60 0,70 0,80 Fonte: ABNT NBR 6118, 2014, p O valor de para pilares circulares internos, deve ser adotado igual a.

43 40 Figura 19- Dimensões. Fonte: LIMA, 2001, p.20 é o módulo de resistência plástica do perímetro critico considerado, dado por: onde é o comprimento infinitesimal de u e e é a distância de ao eixo que passa pelo centro do pilar e em torno do qual atua. De acordo com a equação 6, a ABNT NBR 6118 (2014) menciona apenas o valor do módulo de resistência plástica ( ) para o contorno critico C, e somente para pilares internos, através da equação 7. Lima (2001) alerta que, na ABNT NBR 6118 (2014), nenhuma indicação é feita quanto aos valores de para os contornos C e C, e que através da norma americana CEB MC-90 (1993), na qual as prescrições quanto à punção da ABNT NBR 6118 (2014) foram baseadas, há clara indicação de que são necessárias equações distintas para o módulo de resistência plástica nos contornos C e C. Assim, resolvendo a integral de definição (equação 6), o módulo de resistência plástica para o contorno crítico C para o caso de pilar interno é expresso através da seguinte equação: Onde é a distância do pilar até o último contorno de armadura.

44 41 E para o caso do perímetro critico C: Contorno crítico Tabela 3 Equações de para pilares internos de seção retangular. Fonte: FERREIRA, 2005, p.34 Pilar interno, com efeito de momento nas duas direções A ABNT NBR 6118 (2014) não cita especificamente este caso, porém ele está incluso no presente trabalho para maior facilidade de entendimento. Quando há momento nas duas direções, é feita uma superposição dos efeitos dos momentos nas duas direções, onde a equação 5, se torna: Sendo: é a força ou a reação concentrada de cálculo, dada por (figura 18). são os momentos solicitantes de cálculo, dado por (em cada uma das direções) (figura 18); são os módulos de resistência plástica nas direções paralelas aos momentos correspondentes ( figura 20) do contorno crítico considerado ( tabela 3); são os coeficientes que fornecem a parcela de transmitida ao pilar por cisalhamento, que dependem da relação (figura 20 e tabela 2);

45 42 Figura 20 Dimensões para pilares internos com momentos nas duas direções. Fonte: LIMA, 2001, p. 21. Pilares de borda, sem momento no plano paralelo à borda livre Apenas o fato de ser necessário considerar a excentricidade no cálculo do perímetro crítico (que deixa de ser definido pela letra e passa ser definido por difere esse caso daquele que trata do pilar interno com momento em apenas uma direção. Sendo: é a força ou a reação concentrada de cálculo, dada por (figura 18). é o perímetro crítico reduzido do contorno considerado (tabela 4), calculado a partir da (figura 21). Essa redução é necessária, pois a parte mais próxima à borda não é efetiva na absorção das tensões cisalhantes. Tabela 4 Perímetros críticos reduzidos para pilares de borda. Contorno crítico Perímetros críticos Reduzidos Fonte: FERREIRA, 2005, p.36.

46 43 Figura 21 Perímetro crítico reduzido do contorno para pilares de borda. Fonte: LIMA, 2001, p. 22. A relação entre os momentos deve satisfazer: Onde é o momento de cálculo no plano perpendicular à borda livre; é o momento de cálculo resultante da excentricidade do perímetro crítico reduzido em relação ao centro do pilar, no plano perpendicular à borda livre, ou seja: é a excentricidade do perímetro crítico reduzido (figura 22), e é dada por: Onde: é o comprimento infinitesimal no perímetro crítico u; é a distância de dl ao eixo que passa pelo centro do pilar e sobre o qual atua o momento fletor. Assim, através da equação 14, calculam-se as expressões das excentricidades para os contornos críticos C,C e C (tabela 5).

47 44 Figura 22 Excentricidade do perímetro crítico reduzido do contorno para pilares de borda. Fonte: LIMA, 2001, p. 23. Tabela 5 Expressões para as excentricidades, para o caso de pilares de borda Fonte: FERREIRA, 2005, p. 37. é o módulo de resistência plástica perpendicular à borda livre, calculado para o contorno crítico considerado (assim como para o caso da tensão solicitante em pilares internos, existem valores distintos de para cada contorno critico, porém para esse caso de pilar de borda, nenhuma expressão é demonstrada na ABNT NBR 6118 (2014)), calculados assim a partir da equação 6 e demonstrados na tabela 6.

48 45 Tabela 6 Equações de Contorno crítico para pilares de borda, sem momento atuando no plano paralelo à borda livre. Fonte: FERREIRA, 2005, p.38. O coeficiente assume os valores estabelecidos para na tabela 2, com, de acordo com a figura 22. Pilares de borda, com momento no plano paralelo à borda livre Este caso se assemelha ao do pilar interno com momentos atuando nas duas direções. Porém, deve ser considerada a excentricidade dos perímetros críticos e o coeficiente deve ser reduzido, para determinar a parcela do momento no plano paralelo à borda livre. A tensão é definida por: Onde: é o momento de cálculo no plano paralelo à borda livre, dado por (figura18); O coeficiente assume os valores estabelecidos para na tabela 2, substituindo-se, pois apenas uma das faces do pilar na direção deste momento pode ser utilizada; é a dimensão do pilar na direção perpendicular à borda livre; é a dimensão do pilar na direção paralela à borda livre. é o módulo de resistência plástica na direção paralela à borda livre (tabela 7), calculado assim como nas outras situações, através da equação 6. Os dados restantes são aqueles explicados para o caso de pilares de borda sem momento no plano paralelo à borda livre.

49 46 Tabela 7 Equações de Contorno crítico para pilares de borda, com momento atuando no plano paralelo à borda livre. Fonte: FERREIRA, 2005, p. 39. Pilares de canto Para o pilar de canto, aplica-se o disposto para o pilar de borda quando não há momento atuando no plano paralelo a borda livre. São adotadas, portanto, duas situações de cálculo, através da equação 11 em cada direção: O coeficiente é obtido normalmente na tabela 2 em função da proporção referentes aos lados do pilar, conforme figura 23, onde sempre é a dimensão do pilar perpendicular a excentricidade da força e paralelo. Ressalta-se que a relação entre os momentos deve satisfazer a equação 12: é o momento de cálculo no plano perpendicular à borda livre; é o momento de cálculo resultante da excentricidade do perímetro crítico reduzido em relação ao centro do pilar, no plano perpendicular à borda livre, ou seja, utiliza-se a equação 13 da mesma forma que utilizado anteriormente:

50 47 Onde a excentricidade do perímetro crítico reduzido é calculada através da equação 14, baseando-se na figura 24, para pilares de canto. A tabela 8 mostra os valores de para cada contorno crítico, nos casos de pilares de canto. Figura 23 Disposição dos parâmetros para a situação de pilares de canto. Fonte: LIMA, 2001, p. 25. Figura 24 Distâncias para a determinação da excentricidade em pilares de canto. Fonte: LIMA, 2001, p.26.

51 48 Tabela 8 Expressões para as excentricidades, para o caso de pilares de canto. Fonte: FERREIRA, 2005, p.37. E os perímetros críticos reduzidos indicadas na tabela 9. dos contornos estudados (figura 25) têm as equações Figura 25 Perímetro crítico reduzido do contorno C para pilares de canto Fonte: LIMA, 2001, p. 25. Tabela 9 Perímetros críticos reduzidos para pilares de canto. Contorno crítico Perímetros críticos Reduzidos Fonte: FERREIRA, 2005, p.41.

52 49 é o módulo de resistência plástica na direção paralela à borda livre (tabela 10), calculado a partir da equação 6. Contorno crítico Tabela 10 Equações de para pilares de canto. Fonte: FERREIRA, 2005, p Definições das tensões resistentes nas superfícies críticas, segundo a ABNT NBR 6118:2014. Verificação da tensão resistente de compressão diagonal do concreto na superfície crítica C, em lajes com ou sem armadura à punção. Segundo Lima (2001), o valor dessa resistência à compressão diagonal para a verificação da punção é considerado igual ao da verificação de cisalhamento de vigas, tomando-se 45 para a inclinação da biela comprimida, e é definido pela equação: é o coeficiente de efetividade do concreto, dado por = ; é a resistência de característica do concreto à compressão ; é a resistência de cálculo do concreto à compressão. Além disso, o valor de pode ser ampliado de 20 % por efeito de estado múltiplo de tensões junto a um pilar interno, quando os vãos que chegam a esse pilar não diferem mais de 50 % e não existem aberturas junto ao pilar.

53 50 Resistência a da face do pilar (contorno C ), para o caso de lajes sem armaduras à punção ou resistência a da última linha de conectores ( contorno C ), para lajes com armaduras de punção. A verificação de tensões na superfície crítica C ou C deve ser efetuada como a seguir: ( ) Sendo: Onde: é a altura útil da laje ao longo do contorno crítico estudado (equação 2); é a taxa geométrica de armadura de flexão aderente (armadura não aderente deve ser desprezada); e são as taxas de armaduras nas duas direções ortogonais onde, para o cálculo, deverá ser considerada uma faixa de largura igual a dimensão do pilar, mais 3.d para cada lado, ou até a borda mais próxima (figura26). e é a tensão inicial do concreto à compressão ao nível do baricentro da armadura de protensão. A ABNT NBR 6118 (2014) passou a adotar uma maior influência da protensão na resistência à punção calculada para as lajes, visto que além de considerar os cabos que passam pelo perímetro afastado d/2 da face do pilar, considera-se também o valor de.

54 51 Figura 26 Definição da região de cálculo de e e da altura útil d. Fonte: FERREIRA, 2005, p. 44. Tensão resistente na superfície crítica C em elementos estruturais ou trechos com armadura de punção A verificação de tensões na superfície crítica C deve ser efetuada como a seguir: Onde: é o espaçamento radial entre contornos de armadura de punção, não maior do que 0,75d (figura31); é a área da armadura de punção em um contorno completo paralelo a C ( figura 27); é o ângulo de inclinação entre o eixo da armadura de punção e o plano da laje, no caso do pino=90 ; é o perímetro crítico ou perímetro crítico reduzido ( ) no caso de pilares de borda ou canto (tabelas1,4e9). é a resistência de cálculo da armadura de punção, não maior do que 300 MPa para conectores ou 250 MPa para estribos (de aço CA-50 ou CA-60) em lajes com espessura de 15 cm. Se essa altura for superior a 35 cm, poderá chegar a 435 MPa. Para valores intermediários da altura da laje, permite-se fazer interpolação linear. é a tensão inicial do concreto à compressão ao nível do baricentro da armadura de protensão.

55 52 Figura 27 Disposição da armadura para pilares internos. Fonte: LIMA, 2001, p ARMADURA CONTRA COLAPSO PROGRESSIVO Em um edifício, a ruína localizada de uma ligação aumenta a força e a excentricidade nos pilares próximos, podendo desencadear a ruína generalizada de um pavimento e até de uma estrutura, se os painéis de laje caírem uns por cima dos outros. Essa sucessão de ruínas dos painéis é denominada de colapso progressivo (LIMA, 2001). Lima (2001) ainda faz observações em relação a armadura contra o colapso progressivo, pois a utilização dessas armaduras vem demonstrando bons resultados, e essa disposição é bastante efetiva na absorção das tensões residuais de cisalhamento, o que contribui para a melhoria do comportamento pós-punção, principalmente pelo chamado efeito pino (dowel action)(figura28). Figura 28 Comportamento da ligação laje/pilar após a ruína por punção Sem armadura inferior Fonte: LIMA, 2001, p. 9. Com armadura inferior Segundo a ABNT NBR 6118 (2014), para garantir a ductilidade local e a consequente proteção contra o colapso progressivo, a armadura de flexão inferior (armadura positiva) que

56 53 atravessa o contorno C deve estar suficientemente ancorada além do contorno C ou C, conforme figura 30, e deve ser tal que: Onde: pode ser calculado com igual a 1,2. é o somatório de todas as áreas das barras inferiores que cruzam cada uma das faces do pilar (figura 29); Figura 29-Armadura contra o colapso progressivo em pilares internos, de borda e canto. Fonte: LIMA, 2001, p. 28. Figura 30- Armadura contra o colapso progressivo Fonte: FERREIRA, 2005, p. 47.

57 REQUISITOS PARA O DETALHAMENTO DA ARMADURA À PUNÇÃO TIPO PINO A armadura à punção, mesmo quando for a mínima exigida pela ABNT NBR 6118 (2014), que deve suportar no mínimo 50% de, deve ser estendida em contornos paralelos a C, até que, num contorno C afastado 2.d do último contorno de armadura, ela não seja mais necessária, ou seja,. A ABNT NBR 6118 (2014) recomenda o uso de conectores tipo pino com extremidades alargadas, dispostos radialmente a partir do perímetro do pilar ou perpendicular conforme a figura 31, e cada uma dessas extremidades deve estar ancorada fora do plano da armadura de flexão correspondente, assim como devem atender as dimensões contidas na figura 32. Entre os espaçadores mais afastados do pilar, se o espaçamento for maior que, deve ser desprezada uma parte do perímetro critico que seria usado na verificação do contorno. No entanto, sugere-se que a disposição respeite a relação de, permitindo uma melhor distribuição de tensões. Essa condição foi satisfeita para que se pudessem ser calculadas as tabelas 1,4 e 9 dos perímetros críticos e perímetros críticos reduzidos. Figura 31 Disposição das armaduras e interferência de no cálculo do perímetro crítico Fonte: Adaptado da ABNT NBR 6118 (2014), p. 167.

58 55 Figura 32 Detalhes da armadura de punção tipo pino Fonte: FERREIRA, 2005, p. 50. Quanto ao espaçamento entre os contornos de armadura, o primeiro contorno de armadura deve estar no máximo, distante da face do pilar (, e entre duas linhas consecutivas de conectores ( deve haver um espaçamento máximo de, sendo necessário utilizar ao menos três linhas de conectores, conforme mostra a figura 33. Figura 33- Espaçamentos necessários para os conectores Fonte: LIMA, 2001, p. 29. Ainda de acordo com Lima (2001), para pilares de borda e canto, os conectores devem ser dispostos além do perímetro crítico reduzido, apesar de a área de aço adicional não ser computada na verificação (figura 34).

59 56 Figura 34 Disposição da armadura em pilares de borda e de canto. Fonte: LIMA, 2001, p ANÁLISE ESTRUTURAL DE LAJES LISAS Como já foi mencionado, várias normas internacionais baseiam-se na análise das superfícies críticas, incluindo a ABNT NBR 6118 (2014), para a execução das verificações de resistência à punção. Todavia, existem vários métodos de análise dos esforços atuando nos pavimentos da estrutura, para que sejam feitas essas verificações através das superfícies críticas. A ABNT NBR 6118 (2014) recomenda que a análise estrutural de lajes lisas deve ser realizada mediante emprego de procedimento numérico adequado ou, se algumas considerações forem satisfeitas (os pilares estiverem dispostos em filas ortogonais, de maneira regular e com vãos pouco diferentes), o método dos pórticos equivalentes pode ser utilizado. No presente trabalho foi utilizado o método numérico de Analogia de Grelha, através do software comercial Eberick V Método da Analogia de Grelha O método da analogia de grelha baseia-se na substituição de um pavimento por uma grelha equivalente, onde os elementos da mesma (barras da grelha equivalente) passam a representar os elementos estruturais do pavimento (lajes e vigas). Além disso, as cargas distribuídas se dividem entre os elementos da grelha equivalente de acordo com a área de influência de cada elemento, e podem ser consideradas uniformemente distribuídas ao longo

60 57 dos elementos ou, dentro de certa aproximação, concentradas em nós. (CARVALHO; FIGUEIREDO FILHO, 2014) Da mesma forma que no Método dos Elementos Finitos, ao dividir-se a laje em um número suficiente de faixas, é possível reproduzir o comportamento de estruturas com praticamente qualquer geometria. Esse método é a base do processo da Analogia de Grelha, utilizado pelo software comercial Eberick V8. As rigidezes das vigas devem ser tais que, quando a laje e a grelha equivalente forem submetidas ao mesmo carregamento, as duas estruturas deformem de modo idêntico. Momentos fletores, forças cortantes e momentos torçores, em qualquer viga da grelha equivalente, devem ser iguais as resultantes dos esforços na seção transversal da parte da laje que a viga representa (GUARDA,1995, p.23). O modelo também pode conter todas as lajes de um pavimento e todas as vigas, analisando o comportamento do painel como um todo. Os resultados finais obtidos pelo método da grelha equivalente e o método dos elementos finitos são bastante semelhantes Software Eberick V8 Segundo a Altoqi (empresa desenvolvedora do software), o Eberick V8 é um software para projeto estrutural tanto em concreto armado moldado in-loco como concreto prémoldado, que engloba as etapas de lançamento, análise da estrutura, dimensionamento e o detalhamento final dos elementos estruturais. Possui um poderoso sistema gráfico de entrada de dados, o qual facilita a realização de uma análise criteriosa sobre a variação desses dados no dimensionamento à punção. O Eberick V8 associa à análise da estrutura em um modelo de pórtico espacial, e há diversos recursos de dimensionamento e detalhamento dos elementos, de acordo com a ABNT NBR 6118 (2014).

61 58 5 METODOLOGIA Na primeira parte deste capítulo foram desenvolvidos os cálculos necessários de verificação e dimensionamento à punção, além de um detalhamento para exemplificar o caso de um pilar interno com efeito de momento nas duas direções. Esses cálculos foram o ponto de partida de todo o estudo, pois demonstraram como foram feitas as análises à punção, tendo em vista que foram criadas e utilizadas rotinas de cálculo do Excel 2013 de acordo com as prescrições da ABNT NBR 6118 (2014) e com base em uma revisão bibliográfica para o restante dos cálculos, já que para a elaboração dos resultados foi necessária uma grande variação dos fatores envolvidos. A escolha do pilar interno se deu pelo fato de comumente serem utilizadas vigas de borda em lajes lisas para melhorar a performance da estrutura contra as deformações excessivas nessas áreas. Dessa forma, a posição do pilar mais usual na prática é o pilar interno. Em seguida, como já mencionado, foi analisado como as variações de alguns dos fatores que influenciam à punção interferem na relação entre as tensões resistentes e solicitantes, tal como interferem no quantitativo e custo da obra, demonstrando assim um custo benefício satisfatório e, consequentemente, a melhor alternativa para contornar de forma eficiente os efeitos da punção em lajes lisas. 5.1 PROJETO ANALISADO O Projeto estrutural abordado foi de uma laje hipotética de 21 x 32 m, que totaliza 672 m² de laje, apoiada em vinte pilares dispostos simetricamente, de modo que facilite os cálculos e o comportamento estrutural, conforme recomendado pela norma e pela literatura. A laje possui uma espessura inicial de 25 cm, porém vale ressaltar que a ABNT NBR 6118 (2014) permite uma espessura mínima de 16 cm para lajes lisas, apesar de valores entre 16 a 22 cm apresentarem problemas de detalhamento no Eberick V8. Assim, optou-se por uma espessura que contornasse tais problemas para o projeto em questão e que apresentasse uma espessura usual em projetos de lajes. Os pilares possuem seções quadradas de 40 x 40 cm (já que o efeito de retangularidade dos pilares não é um dos objetivos em estudo), separados entre si na direção x por 8 m e na direção y por 7 m, conforme mostra as figuras 35 (desenvolvida no AutoCAD 2013) e 36 (desenvolvida no Eberick V8).

62 59 um Ambos os elementos do sistema (laje-pilar) foram dimensionados inicialmente com de 30 MPa. Figura 35 Planta baixa do exemplo Figura 36 - Perspectiva isométrica da planta baixa do exemplo

63 CÁLCULO DOS ESFORÇOS Os carregamentos considerados foram baseados na ABNT NBR 6120 (2000). As combinações dos carregamentos majoraram em 40 % as cargas, totalizando em: A partir do carregamento combinado, os esforços foram obtidos a partir da resolução da laje pelo método de analogia de grelha, utilizando o programa Eberick V8. A figura 37 mostra a distribuição dos momentos fletores nas duas direções da laje inicial (figuras 35 e 36) e, como previsto, os esforços mais significantes aconteceram nos entornos dos pilares devido às grandes forças cisalhantes no local. Figura 37 Diagrama de momento fletores nas duas direções